车用Urea-SCR系统结构参数优化研究

吴里程， 王谦， 王静， 赵炜

(1.江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013； 2.镇江船艇学院内燃机教研室, 江苏 镇江 212003)



车用Urea-SCR系统结构参数优化研究

吴里程1， 王谦1， 王静2， 赵炜1

(1.江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013； 2.镇江船艇学院内燃机教研室, 江苏 镇江 212003)

为了对柴油机SCR系统喷射区和催化转化区进行优化，采用AVL Fire软件对某型号柴油机SCR系统进行了三维建模。分别对比了尿素喷嘴喷孔数、催化器结构型式及转向型催化器内扩散器的几何参数对SCR系统转化效率的影响。研究表明，最佳尿素喷孔数为4～6个，当使用转向型催化器并且扩散器处开孔区域角度在180°～270°之间时能达到最佳的优化效果。

柴油机； 选择性催化还原； 氮氧化物； 数值模拟； 转向型催化器； 扩散器

随着环境问题的日益严峻以及公众环保意识的不断加强，汽车尾气排放特别是柴油机NOx排放逐渐受到了人们的重视。为了控制NOx和PM排放量，各国相应制定了严格的柴油机排放法规。研究表明，仅靠机内净化已经很难满足排放要求，必须同时辅以尾气后处理技术来控制污染物的排放。尿素选择性催化还原(Urea-SCR)技术具有抗硫中毒和节油方面的优势，被认为是我国车用柴油机实现未来严格排放法规的技术路线[1]。

鉴于车用柴油机运行工况多变，排气参数波动大，且SCR系统布置空间有限，目前车用SCR系统需解决两个关键问题：一是系统中管路布置和催化器结构尺寸；二是恰当的尿素喷射与控制策略[2]。本研究运用AVL Fire软件在分析系统内部流场和组分浓度的基础上，对SCR系统喷射区和催化还原区的结构参数进行了优化研究，分别对比了尿素喷嘴喷孔数、催化器结构型式以及催化器内扩散器几何参数对SCR系统转化效率的影响，获得了这些参数改变时组分分布、NOx转化效率和均匀性指数变化的规律，为后续SCR系统的结构设计提供理论参考。

1 研究对象

1.1 SCR系统几何模型的建立

本研究模拟对象为某型号柴油机SCR系统，封装型式为桶式封装，其结构见图1。进出口排气管直径为100 mm，所用催化剂为V2O5/WO3/TiO2整体式催化剂，内部为方形孔道的蜂窝状结构，容积为14 L，孔密度为62孔/cm2，壁厚为0.2 mm，载体涂层厚度为0.127 mm。其中催化器为转向型，采用4孔喷嘴，中间径向喷射，喷嘴的安装位置到催化器入口的距离为7d，有利于尿素的蒸发、热解以及还原剂与尾气的均匀混合。催化器内扩散器四周上均匀分布着直径为8mm的小孔。

1.2 计算网格及边界条件

本研究采用的模型结构比较复杂，所以利用Fire软件中的FAME技术对其进行自动网格划分。生成的网格见图2，为保证计算精度，对扩散器处的小孔进行了网格加密。图3示出计算模型与工程上实际应用模型的比较。

根据发动机的性能测试试验，选取3个典型工况A25，B50，C100的数据作为边界条件的输入量(见表1)，A，B，C分别代表发动机低、中、高3个转速，后面的数字代表负荷百分数[3]。其中采用质量流量作为进口边界，出口边界条件设为静压，压力为0.1MPa。壁面采用无滑移边界，外界温度为300K。尿素溶液的喷射为间歇周期喷射，本次模拟选择的喷射周期为0.8s，0.1s开始喷射，喷射持续到0.4s。计算模型中的气体成分主要有7种：NO，NO2，NH3，O2，CO2，HCNO，N2。

表1 典型工况的边界条件

2 数值计算模型

系统内部流体流动采用质量和动量守恒方程进行描述，湍流运动过程用雷诺方程来分析，尿素在排气管中的扩散情况用湍流扩散模型来分析[4]。从尿素喷射处到SCR催化器出口，涉及很多物理化学过程，主要包括尿素溶液的雾化、尿素液滴蒸发和热解、尿素溶液撞壁及液膜模型和表面催化化学反应。

2.1 喷雾模型

本研究尿素溶液的喷雾模拟采用离散液滴模型(DDM)，即忽略液相初次雾化过程，认为尿素溶液离开喷嘴就成为离散的液滴，并结合拉格朗日方法和欧拉方法来求解液滴运动轨迹。液滴的二次破碎过程采用Huh-Gosman破碎模型[5]。

2.2 尿素溶液蒸发模型

尿素水溶液喷雾到排气管后，因为水的沸点比尿素低，所以尿素液滴中水先蒸发，直到形成熔融或固态的尿素。这一过程可以简化为以下两步反应[6]：

(1)

(2)

根据Arrhenius定理，反应(2)的反应速率表达式如下：

(3)

2.3 载体多孔介质模型

催化剂载体通道尺寸很小，数量非常庞大，直接模拟载体所有通道内的三维流动较为困难，需要对载体内部的流动进行简化。将整体式陶瓷蜂窝催化剂载体简化为多孔介质、单一方向，即流体流经载体时只有沿轴向方向的速度和压力损失。压力损失按Forchheimer模型[5]进行计算。

(4)

该源项包括两个损失项：黏性损失及惯性损失。αi为黏性损失系数(i代表X，Y，Z方向)；μ为动力学黏度；wi为当地速度分量；ζ为惯性损失系数；ρ为流体密度。

2.4 催化剂表面化学反应模型

在催化器内部，异氰酸进入催化器发生的反应主要是在催化剂涂层表面。当条件合适时，NH3将选择性地与尾气中的NOx发生还原反应生成N2和水，降低NOx排放。在催化剂表面发生的化学反应较多，本文中主要考虑了以下5个反应：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

反应式(5)表示尿素热分解产物异氰酸在催化剂表面与水蒸气发生水解反应生成氨气和二氧化碳。反应式(6)至式(8)表示NH3选择性还原NOx的SCR反应。由于在发动机排气中NO为主要氮氧化物(含量约为90%)，因此反应式(6)被称为标准SCR反应。研究表明NO2的存在可以提高反应速率，当V(NO2)/V(NOx)≈50%时反应速率最快，因此反应式(7)被称作快速SCR反应。当V(NO2)/V(NOx)比例继续增大时，反应式(8)所示的缓慢SCR反应占主导作用，NOx转化效率降低[7]。反应式(9)为氨气氧化反应，以防止氨泄漏。

3 结果与分析

3.1 尿素喷射参数优化

还原剂的分布均匀性与尿素喷雾液滴的分布直接相关，喷嘴喷孔数的增多有利于扩大液滴的分布范围，使还原剂在排气管中与尾气更好地混合[8]。所以本研究在B50工况的基础上，比较了不同喷孔数(分别为1，2，3，4，5，6，7，8共8种情况)对SCR系统的影响。喷孔直径保持0.5 mm不变，单个喷孔喷嘴的尿素喷射方向沿着轴线方向，与排气流方向相同，其余几种喷射均为径向喷射，与排气流方向垂直。

图4示出了不同喷孔数下尿素液滴和还原剂分布情况。从图中可以看出，单孔轴向喷嘴的液滴沿排气方向运动，尿素喷射贯穿距偏大，尿素液滴分布主要集中在排气管中心区域，到达扩散器底部时，一部分液滴随着排气反弹到扩散器上方，然后混合气通过扩散孔流出进行二次分配，所以还原剂分布呈两边多中间少的趋势，致使催化剂出口会有一部分NO未被还原。随着喷孔数的增多，尿素液滴分散范围扩大，NH3的分布均匀性有所改善。

从图5 NOx转化效率中也可以看出，NOx转化效率随着喷孔数的增加呈增长趋势，当喷孔数达到5时，NOx转化效率达到最高，继续增加喷孔数，NOx转化效率不再提高，反而呈下降趋势。这是由于随着喷孔数的增多，在喷射流量一定的情况下，单个喷孔流出的质量流量会变少，相应地喷射速度变小，液滴分布范围随之减小，所以液滴雾化效果以及与排气的混合均匀性略有下降。而对于径向喷嘴，随着喷孔数的增加，相应地喷孔加工面也增多，加工难度和成本随之提高，所以综合考虑NOx的转化效率和喷嘴的加工工艺，喷孔数为4～6个比较合适。在以下模拟中使用的喷嘴喷孔数为4个。

3.2 催化器的结构优化

催化器结构型式对SCR系统的速度和压力分布影响很大,所以本研究比较了3种不同排气结构型式对SCR系统的影响，分别是转向型催化器、圆锥型催化器和带导流装置的圆锥型催化器[9]。这3种催化器结构的管径、催化剂长度及参数、喷嘴到催化剂的距离以及喷嘴参数都相同，计算网格见图6。

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图7示出了B50工况下不同催化器结构SCR系统的湍动能分布。从图中可以看出，转向型催化器的湍动能较高，能够促进尿素液滴的蒸发热解以及异氰酸的水解，所以生成的HCNO量比较多，进而产生的还原剂能够与NOx充分发生反应，催化器出口的NOx消耗完全。而圆锥型催化器的湍动能较低，比较容易发生壁面分离，在催化器壁面处会引起流体回流，形成了漩涡。加装导流装置后，湍动能变高，促进了尿素液滴的热解，同时排气流经导流装置后会形成沿轴线旋转的旋流，可以促进还原剂的混合，进而减少了催化器出口未被还原的NOx量。但是加装导流装置后湍动能过高，发生了质变，会使还原剂的均匀性不够 。所以转向型催化器的还原剂均匀性要优于圆锥型和带导流装置的圆锥型催化器。

催化剂入口速度与还原剂分布直接影响催化器的转化效率。还原剂分布不均会使得还原剂局部过量或不足，从而导致SCR转化效率降低和氨气的泄漏[9]，长时间氨气分布不均匀会加速催化剂老化，从而影响催化剂的整体性能[10]。

均匀性指数γ定义为[11]

(10)

图8和图9分别示出了3种催化器结构的NH3均匀性指数和NOx转化效率。从图8中可以看出，从0.1 s开始喷射尿素，0.4 s停止喷射，圆锥型催化器NH3均匀性一直较差，均匀性指数在0.60～0.74之间，所以NOx转化效率相应地较低，只有60%。而加装导流装置后，催化剂入口处还原剂的均匀性略有提高，能够达到0.86左右，NOx转化效率可达到71.7%，比圆锥型催化器的提高了11.7%左右。相对于圆锥型和带导流装置的圆锥型催化器，转向型催化器的NH3均匀性指数可到达0.9，NOx转化效率也随之提高到80%左右。

通过比较3种型式的SCR系统可知，转向型催化器在湍动能分布、还原剂均匀性和NOx转化效率等方面都要优于其他两种。

3.3 扩散器的结构优化

扩散器主要起导流作用，能够引导气体快速地通过扩散孔进入催化器内部，同时起到促进尿素液滴破碎的作用。合理地设计扩散器不仅可以使气体快速地到达催化器，还可以使还原剂均匀地分布到催化剂表面，从而提高催化剂的利用率。而扩散器处的开孔区域是扩散器细孔面占整个扩散器外围的角度，它对载体内部气流分布具有一定的影响，所以对扩散器处开孔区域角的影响进行了模拟分析。

如图10所示，当区域角大于90°时，由于扩散孔处的径向流通面积增大，导致从扩散孔处流出的气体速度减弱，催化器前腔内气体发生负压卷吸作用的能力也会相应减小，进而使流动分离现象减弱，提升了载体内部还原剂的对称性。而当区域角上升至360°时，由于气体通过扩散孔流出，没有形成有效的二次分配，而是一部分气体直接到达载体前端面，造成载体前端面气体分布不均匀，进而导致载体内部还原剂的不对称性增加，影响NOx转化效率。

通过图11可以发现，还原剂随着区域角的增加而变得更加均匀，均匀性指数由0.933 6增加到0.947，但当区域角大于270°时，还原剂均匀性开始下降，进而影响NOx转化效率。 图12示出3种典型工况(A25，B50，C100)下NOx转化效率随区域角的变化。从区域角为90°开始，NOx转化效率呈先增加后下降的趋势，区域角在180°～270°时3种工况下的NOx转化效率都达到最大值，分别为92%，81%，68%。继续增大开口区域角，NOx转化效率开始下降，到区域角为360°时，3种工况下转化效率分别降为90%,78%,67%。所以，扩散器处开孔区域角最好在180°～270°之间。

4 结论

a) 尿素喷嘴喷孔数会影响液滴形态和空间分布，通过综合比较催化器的性能和喷嘴的加工工艺，发现喷孔数为4～6个最为合适；

b) 通过比较3种不同结构型式的催化器发现，转向型催化器在湍动能分布、还原剂均匀性和NOx转化效率方面都要优于其他两种催化器，而且在圆锥型催化器的基础上加装导流装置，可以提高系统的NOx转化效率；

c) 对转向型催化器内的扩散器进行优化，比较了不同开孔区域角度的催化器，发现区域角存在一个最佳的范围，可以使载体内部气流分布均匀，同时提高NOx转化效率。

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[编辑: 李建新]

Optimization of Structural Parameters for Vehicle Urea-SCR System

WU Licheng1, WANG Qian1, WANG Jing2, ZHAO Wei1

(1. School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. Internal Combustion Engine Research Institute， Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003， China)

In order to optimize the injection and catalytic conversion area of SCR system, 3D simulation of SCR system for a diesel engine was conducted with AVL Fire software and the influences of nozzle hole number, catalyst structure and geometry parameters of diffuser for steering-type catalyst on conversion efficiency were analyzed and compared. The results showed that the optimal nozzle hole number was 4-6. The SCR system using steering-type catalytic converter with 180°-270° angle at the drilling area of diffuser could achieve the best optimization effects.

diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); nitrogen oxides; numerical simulation; steering-type catalytic converter; diffuser

2015-07-07;

2015-11-10

国家自然科学基金重点项目(51276084)；江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ11_0560)

吴里程(1991—)，男，硕士，主要研究方向为柴油机NOx的排放控制;wulicheng@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.012

TK 421.5

B

1001-2222(2015)06-0059-06